Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Наблюдение лэмбовского сдвига в атомах — первое свидетельство существования электромагнитного вакуума

Лэмбовский сдвиг энергетических уровней в атомах — первое подтверждение идей квантовой теории поля, в частности, квантовой электродинамики. Последняя обобщает принципы квантования на системы с бесконечным числом степеней свободы — электромагнитное и электрон-позитронное поля. Одним из основных принципов квантовой теории поля является вторичное квантование, которое сводит процессы изменения квантового состояния к исчезновению (уничтожению) старого состояния и рождению нового. Например, перемещение электрона из одной точки в другую, наблюдающееся как электрический ток, рассматривается как уничтожение электрона в начальной и рождение в конечной точке. Акт электромагнитного взаимодействия двух заряженных частиц в первом приближении представляет собой рождение фотона в точке, где находится первая частица и уничтожение его при взаимодействии со второй частицей. При этом электроны передают этому виртуальному фотону часть своего импульса и в результате получают отдачу, которая наблюдается как результат действия классической силы (силы Кулона для покоящихся частиц). Такая картина называется обменным взаимодействием.

Другое свойство, возникающее в рамках квантовой теории поля, касается квантовых флуктуаций. Так же как в квантовой механике корпускулярно-волновой дуализм приводил к соотношению неопределенностей Гайзенберга для координаты и импульса частицы,

в квантовой электродинамике на спектральные компоненты электромагнитного поля с определенным волновым вектором налагается похожее соотношение:

Подпись:  
Уиллис Лэмб
где  — нормировочный объем, занимаемый полем. Таким образом, невозможно одновременно измерить некоторую проекцию вектора напряженности и скорость ее изменения. В результате состояние классического вакуума, для которого , оказывается в квантовой теории поля недопустимым. Его заменяет квантовый вакуум, в котором поля флуктуируют вокруг своего среднего значения, равного нулю. Под воздействием таких квантовых флуктуаций электрон в атоме начинает испытывать дополнительное дрожание, которое эффективно размывает его вокруг своего усредненного положения (не путать с размытием электрона в пределах атомной орбитали, связанного с соотношением неопределенностей для электрона!). В неоднородном поле ядра такой неточечный электрон приобретает новые свойства, приводящие, в частности, к появлению лэмбовского сдвига.

Лэмбовский сдвиг существенен для электронов, движущихся вблизи ядра, поэтому в основном он сказывается на энергиях -электронов, которые обладают ненулевой плотностью вероятности нахождения на сколь угодно малом расстоянии от ядра. Энергетические уровни этих электронов сдвигаются вниз, в частности, в атоме водорода уровень опускается на (порядка в энергетических единицах) ниже уровня . Энергии этих уровней не должны отличаться в отсутствие лэмбовского сдвига. Более того, величина лэмбовского сдвига примерно в 10 раз меньше тонкого расщепления между уровнями и (нижний индекс обозначает полный момент электрона, т.е сумму его спинового и орбитального моментов).

Необходимо отметить, что в спектроскопических исследованиях серии Бальмера 1934–39 годов отмечалось, что наблюдаемое значение тонкого расщепления уровня атома водорода оказывается меньше -предсказываемого. Тем не менее, из-за доплеровского уширения линий и низкой точности экспериментов этому не придавали такого большого значения. В эксперименте Уиллиса Юджина Лэмба (1913–2008) и Роберта Куртиса Ризерфорда (1912–1981), поставленном в 1947 году, исследовалось лэмбовское расщепление в атомах водорода. Центральная идея этого эксперимента состояла в следующем. Состояние является метастабильным, поскольку его переход в основное состояние запрещен правилами отбора и происходит за время порядка секунды. Переходы же происходят за времена порядка , т.е. почти мгновенно. Поэтому если поместить атом в метастабильном состоянии в магнитное поле с резонансной частотой , атомы начнут переходить в состояние и затем почти мгновенно  в основное. Таким образом, количество атомов в состоянии в быстром атомном пучке можно уменьшить, если заставить пучок пройти через область с магнитным полем резонансной частоты.

Именно такой пучок атомов и создавался в опыте Лэмба–Ризерфорда (см. рис. выше). Водород переводился в атомарное состояние нагреванием в печи K, после чего на пучок атомов направлялись быстрые электроны Э, переводившие часть атомов во второе возбужденное состояние — причем как в -, так и в -состояния. Возбуждение атомов происходило из-за столкновений электронами, а не из-за взаимодействия с излучением, поэтому правила отбора для такого возбуждения не действуют. Далее частично возбужденный пучок пролетал между полюсами электромагнита, через катушку которого пропускался ток высокой частоты, а затем попадал на металлическую пластинку P. Если падающие на пластинку атомы находились в основном состоянии, у них не хватало энергии, чтобы ионизировать атомы пластины. Если же атомы находились в состояниях , они могли перейти в основное, ионизируя пластинку, что создавало ток через гальванометр. Однако атомы в состоянии до пластинки просто не долетали, поскольку излучали лаймановские фотоны и падали в основное состояние. Долететь до пластинки могли только атомы в метастабильном состоянии  — и именно их число показывал гальванометр. Когда частота магнитного поля оказывалась близка к резонансной, катализировался переход атомов , поэтому до пластинки долетало меньше возбужденных атомов, и гальванометр показывал меньший ток. Именно так была измерена резонансная частота и соответствующее ее лэмбовское расщепление.

Результаты эксперимента Лэмба подтвердили предположение Дирака о том, что квантовая механика должна быть расширена на теорию с бесконечно большим числом степеней свободы — квантовую теорию поля. Современные измерения лэмбовского сдвига являются одними из самых фундаментальных подтверждений квантовой электродинамики, в частности, наличия электромагнитного вакуума. Еще одно проявление квантовополевого вакуума — эффект Казимира — рассматривается в следующем вопросе.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>